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David gegen Goliath

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Obwohl Bohrköpfe von modernen Tunnelbohrmaschinen Durchmesser von bis zu 15 Metern haben können, macht ihnen mitunter ein ungleich kleinerer Widersacher das Leben schwer: Feinkörnige Gesteine setzen sich leicht am Schneidrad fest und können es verkleben – dann geht häufig nichts mehr.

Die Anforderungen an den modernen Tunnelbau steigen stetig – große Bauwerke sollen schnell und möglichst effektiv realisiert werden. Häufig müssen dabei Gesteinsformationen mit wechselnder Festigkeit durchquert werden. Haften die darin enthaltenen Minerale an den wuchtigen Tunnelbohrmaschinen an, kann sich ihre Leistungsfähigkeit deutlich vermindern – Zeitpläne sind dann nur noch mit einem erhöhten Energieaufwand einzuhalten. Im ungünstigsten Fall blockieren die Schneidwerkzeuge vollständig; der Tunnelbau muss unterbrochen werden.

Vor allem, wenn sich Tunnelbohrmaschinen in weichen Fels wie beispielsweise Ton- oder Schluffsteine graben, sind zeitaufwändige Säuberungen der Riesenbohrer keine Seltenheit. Um die Haftung der Minerale an den Maschinen zu reduzieren, werden Polymere oder Tenside in den Tunnelvortrieb eingebracht. Allerdings erschwert dieses Verfahren eine umweltgerechte Entsorgung und Deponierung des kontaminierten Ausbruchmaterials und verursacht zusätzliche Kosten.

Die Merkmale von weichem Gestein und feinkörnigen Böden sind zwar in zahlreichen Studien untersucht worden. Auch ihre Hafteigenschaften an Stahloberflächen wurden in verschiedenen Tests analysiert. Eine systematische, an die speziellen Bedürfnisse des Tunnelbaus angepasste Untersuchung des Klebeverhaltens verschiedener Felstypen und mineralischer Gemische wurde bis heute allerdings nur in Ansätzen durchgeführt. Auch standardisierte Tests fehlen.

Um die chemisch-physikalischen Prozesse an den Mineraloberflächen der Tonminerale, die diese Probleme verursachen, besser zu verstehen, hat sich das Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN im Rahmen des Themenschwerpunkts „Mineraloberflächen“ dieser Vorgänge angenommen: „Bislang wurden vor allem die Auswirkungen des Verklebungsproblems bekämpft. Wir wollen bei den Ursachen ansetzen“, erklärt Martin Feinendegen von der RWTH Aachen einen wesentlichen Aspekt des Projekts „Grenzflächenprozesse“.

Noch habe sich niemand mit der gesamten Prozesskette von der mikroskopischen Ebene bis hin zur Tunnelbohrmaschine im realen Maßstab befasst, so Feinendegen. Um dies zu realisieren, werden zunächst die Effekte, die beim Tunnelbau auftreten können, im Labor simuliert, um besser verstanden und quantifiziert werden zu können. „Darauf aufbauend sollen die Oberflächen gezielt manipuliert werden, zunächst im Labormaßstab, später dann auch in großmaßstäblichen Technikumsversuchen“, umreißt der Diplom-Ingenieur die Inhalte des Forschungsprojekts, bei dem die Züblin AG und die Herrenknecht AG Untersuchungen im Betrieb vor Ort ermöglichen.

Auch eine gezielte Untersuchung der lokalen Eigenarten im Vorfeld einer Baumaßnahme hat sich „Grenzflächenprozesse“ zum Ziel gesetzt. „Es soll ein baustellentauglicher Versuchsaufbau zur Quantifizierung der Anhaftungen und darauf aufbauend ein Klassifizierungsschema für das Verklebungspotential erarbeitet werden“, erläutert Martin Feinendegen. So soll es möglich sein, die Eigenschaften des Baugrunds zu jedem Zeitpunkt eines Projekts schnell und einfach anhand von Bodenproben, die im Rahmen von Baugrunderkundung gewonnen werden, zu bestimmen - insbesondere auch bereits in der Planungsphase.

Könnte man zudem künftig gänzlich ohne „Zusatzstoffe“ wie Polymere oder Tenside beim Tunnelbau auskommen? „Das wissen wir auch noch nicht genau“, räumt Martin Feinendegen ein, „wahrscheinlich wird man nicht ganz auf sie verzichten, vielleicht aber gezielter einsetzen können.“

RD, iserundschmidt 01/2009


Weitere Projekte des GEOTECHNOLOGIEN-Förderschwerpunkt „Mineraloberflächen: von atomaren Prozessen zur Geotechnik“ finden Sie hier.


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